CN112218842A - 利用含氢补充燃料进行催化剂处理的化学处理 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理化学物流的方法包含使进料物流与催化剂在反应器系统的反应器部分中接触，所述反应器系统包含反应器部分和催化剂处理部分。所述催化剂包含铂、镓或两者，并且使所述进料物流与所述催化剂接触引起反应，所述反应形成流出物物流。所述方法包含：将所述流出物物流与所述催化剂分离；将所述催化剂传递到所述催化剂处理部分；以及在所述催化剂处理部分中处理所述催化剂。处理所述催化剂包含：将所述催化剂传递到燃烧器；在所述燃烧器中燃烧补充燃料以加热所述催化剂；用含氧气体处理经过加热的催化剂以产生再活化的催化剂；以及将所述再活化的催化剂从所述催化剂处理部分传递到所述反应器部分。所述补充燃料可以包含摩尔比为至少1:1的氢气与其它可燃燃料。

Description

利用含氢补充燃料进行催化剂处理的化学处理
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月5日提交的美国临时专利申请序列号62/694,193的权益，所述美国临时专利申请通过引用整体在此并入。
技术领域
本公开总体上涉及化学处理系统和其操作，并且更具体地，涉及包含用于处理催化剂的补充燃料物流的工艺。
背景技术
轻烯烃可以用作基础材料以产生许多类型的商品和材料。例如，乙烯可以用于制造聚乙烯、氯化乙烯或环氧乙烷。此类产品可以用于产品包装、建筑、纺织品等。因此，工业上需要轻烯烃，如乙烯、丙烯和丁烯。
根据给定的化学进料物流(如来自原油精炼操作的产物物流)，轻烯烃可以通过不同的反应工艺产生。许多轻烯烃可以通过各种催化工艺产生，如通过催化脱氢，其中进料物流与流化催化剂接触，所述流化催化剂有利于将进料物流转化为轻烯烃。
发明内容
用于产生轻烯烃的许多反应工艺是吸热的并且需要热量输入到系统中以传播催化反应。催化剂再生期间，催化剂上的积炭可能会燃烧，但是积炭燃烧所提供的热量可能不足以传播吸热反应。可以在催化剂再生期间引入补充燃料以增加输入反应系统的热量。
持续需要用于处理化学物流以产生轻烯烃或其它化学产物的反应器系统的改进工艺，所述工艺包含用于加热催化剂的改进的补充燃料源。许多用于处理化学物流以产生轻烯烃和其它化学物的反应器系统利用相对较热的催化剂，如那些加热到高于350℃的温度的催化剂。催化剂可以循环通过流化反应器系统，如通过反应器部分(在其中制造化学产物)和通过催化剂处理部分(在其中处理催化剂，如但不限于去除焦炭、加热催化剂、使催化剂再活化、其它催化剂处理操作或这些的组合)。
在吸热流化反应器系统中，反应器系统可以包含热源以驱动所述工艺。例如，在流化催化裂化(“FCC”)反应中，由反应生成并沉积在催化剂上的焦炭可以在催化剂处理部分的燃烧器中燃烧，以提供大部分热量来驱动反应工艺。作为另一个非限制性实例，在流化催化脱氢(FCDh)反应中，可以将补充燃料添加到燃烧器中，以为吸热反应提供另外的热量，同时燃烧由脱氢反应生成的相对少量的焦炭。由于甲烷的相对廉价的成本和其在相对较高温度下如在反应器系统操作期间催化剂的温度(例如，高于650℃的温度)下的能量效率，补充燃料可以包含大量的甲烷和/或其它烃。然而，在催化剂处理期间燃烧主要包含甲烷和其它烃(例如，大于或等于50mol％甲烷和其它烃)的补充燃料可能会导致催化剂(如包含铂、镓或两者的催化剂)活性降低。
催化剂活性降低可能降低催化剂可以达到的转化率。在一些利用主要包含甲烷和其它烃的补充燃料的流化反应器系统中，可以通过增加反应器系统中催化剂的量或增加催化剂中活性金属(如铂、镓或两者)的量来维持反应器系统的生产率。然而，增加反应器系统中的活性金属如铂、镓或两者的量可能增加反应器系统的操作成本。
因此，持续需要通过减少催化剂的失活来增加化学进料转化率的反应器系统和工艺。具体地，持续需要包含燃烧补充燃料的反应器系统和方法，所述补充燃料在补充燃料的燃烧期间减少催化剂的失活程度，从而增加催化剂活性。根据一个或多个实施例，本公开涉及工艺和反应器系统，所述工艺和反应器系统包含在反应器系统的催化剂处理部分的燃烧器中燃烧具有相对较高浓度的氢气(例如，氢气与其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1)的补充燃料以加热催化剂。燃烧之后，可以使催化剂经受氧处理，所述氧处理包含将催化剂暴露于含氧气体，持续足以使催化剂再活化的时间。
令人惊讶且出乎意料地发现，在相同的操作条件(包含燃烧后相同的氧处理)下，与燃烧包含相对大量的烃(例如，甲烷)的补充燃料的常规情况相比，燃烧具有相对较高浓度的氢气的补充燃料可以使催化剂活性更大并增加反应器系统的转化率。另外，燃烧包含相对较高浓度的氢气的补充燃料可以使催化剂具有更长的催化剂寿命，并且与补充燃料主要为烃(例如，>50mol％烃)时实现目标转化率所需的本体存料相比，能够在反应器系统中以较少的催化剂本体存料实现相同目标转化率。在一些实施例中，燃烧具有高浓度的氢气的补充燃料可以使反应器系统能够在催化剂上的活性金属(如铂、镓或两者)较少的情况下操作。
根据本公开的一个或多个方面，一种用于处理化学物流的方法可以包含使进料物流与催化剂在反应器系统的反应器部分中接触。所述反应器系统可以包含反应器部分和催化剂处理部分，并且所述催化剂可以包含铂、镓或两者。使所述进料物流与所述催化剂接触引起反应，所述反应形成包括至少一种产物的流出物物流。所述方法可以进一步包含：将所述流出物物流的至少一部分与所述催化剂分离；将所述催化剂传递到所述反应器系统的所述催化剂处理部分；以及在所述反应器系统的所述催化剂处理部分中处理所述催化剂。处理所述催化剂可以包含：将所述催化剂传递到所述催化剂处理部分的燃烧器；在所述催化剂的存在下在所述燃烧器中燃烧补充燃料以产生经过加热的催化剂；用含氧气体处理所述经过加热的催化剂(氧处理)以产生再活化的催化剂；以及将所述再活化的催化剂从所述催化剂处理部分传递到所述反应器部分。所述补充燃料可以包含氢气和其它可燃燃料，并且所述补充燃料中的氢气与所述其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1。
根据本公开的一个或多个其它方面，一种用于使烃脱氢以产生一种或多种烯烃的方法可以包含使烃进料物流与催化剂在反应器系统的反应器部分中接触。所述反应器系统可以包含反应器部分和催化剂处理部分，并且所述催化剂可以包含铂、镓或两者。使所述进料物流与所述催化剂接触可以引起反应，所述反应形成包括至少一种产物的流出物物流。所述方法可以进一步包含：将所述流出物物流的至少一部分与所述催化剂分离；将所述催化剂传递到所述反应器系统的所述催化剂处理部分；以及在所述反应器系统的所述催化剂处理部分中处理所述催化剂。处理所述催化剂可以包含：将所述催化剂传递到所述催化剂处理部分的燃烧器；将补充燃料引入所述燃烧器；在所述催化剂的存在下在所述燃烧器中燃烧所述补充燃料；使经过加热的催化剂经受氧处理以产生再活化的催化剂；以及将所述再活化的催化剂从所述催化剂处理部分传递到所述反应器部分。所述补充燃料物流可以包含氢气和至少一种烃，并且所述补充燃料中的氢气与其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1。
应当理解，前述发明内容和以下具体实施方式两者呈现本技术的实施例，并且旨在提供用于理解如所要求保护的技术的本质和特征的综述或框架。包含附图以提供对技术的进一步理解，并且所述附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图展示了各个实施例并且连同描述一起用于解释本技术的原理和操作。另外，附图和描述意指仅为说明性的，并且不旨在以任何方式限制权利要求书的范围。
本文公开的技术的另外的特征和优点将在下文具体实施方式中阐述，并且将部分地由本领域的技术人员从所述描述而容易地了解或通过实践如本文所述的技术(包含下文具体实施方式、权利要求书以及附图)而认识到。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可以最好地理解以下对本公开的具体实施例的详细描述，其中相似的结构用相似的附图标记指示，并且在附图中：
图1示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的反应器系统；
图2示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的反应器系统流程图；
图3示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的另一个反应器系统流程图；
图4示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的又一个反应器系统流程图；
图5示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的流化催化脱氢反应器系统的丙烷转化率(y轴)随引入流化催化脱氢反应器系统的燃烧器的补充燃料的氢气组成(x轴)而变化的图示；并且
图6示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的流化催化脱氢反应器系统的丙烷转化率(左y轴)和丙烯选择性(右y轴)随引入反应器系统的燃烧器的补充燃料的氢气组成(x轴)而变化的图示。
应当理解，附图在本质上是示意性的，并且不包含本领域中通常采用的反应器系统的一些组件，如但不限于温度变送器、压力变送器、流量计、泵、阀等。已知这些组件在所公开的本发明的实施例的精神和范围内。然而，可以在本公开中所描述的实施例中增加操作组件，如本公开中所描述的那些组件。
现在将更详细地参考各个实施例，其中一些实施例在附图中说明。在可能的情况下，相同的附图标记将贯穿这些附图而被使用以便指代相同或类似的部分。
具体实施方式
在下面的详细描述中讨论了本公开的若干个实施例。本公开的一个或多个实施例涉及用于在反应器系统中利用补充燃料加热催化剂来处理化学物流的方法。具体地，本公开的一个或多个实施例涉及用于处理化学物流的方法，其中在反应器系统的催化剂处理部分中燃烧包含氢气的补充燃料以加热催化剂。例如，在一些实施例中，所述用于处理化学物流的方法可以包含使进料物流与催化剂在反应器系统的反应器部分中接触，所述反应器系统包含反应器部分和催化剂处理部分。所述催化剂可以包含铂、镓或两者。使所述进料物流与所述催化剂接触可以引起反应，所述反应形成含有至少一种产物如烯烃产物的流出物物流。所述方法可以包含：将所述流出物物流的至少一部分与所述催化剂分离；以及将所述催化剂传递到所述反应器系统的所述催化剂处理部分。所述方法可以进一步包含在所述催化剂处理部分中处理所述催化剂。处理所述催化剂可以包含：将所述催化剂传递到所述催化剂处理部分的燃烧器；以及在所述燃烧器中燃烧包含高浓度的氢气(氢气与其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1)的补充燃料。燃烧包含相对较高浓度的氢气的补充燃料可以增加所述催化剂的温度以产生经过加热的催化剂。处理所述催化剂还可以包含用含氧气体处理所述经过加热的催化剂以产生再活化的催化剂。可以将所述再活化的催化剂传递回到所述反应器系统的所述反应器部分。
发现在催化剂处理期间燃烧包含相对较高浓度的氢气(例如，氢气与其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1)的补充燃料以加热催化剂，与燃烧主要由甲烷或其它烃组成的补充燃料相比，会增加反应器系统中反应物的转化率。这种高活性可以使反应器系统中催化剂寿命增加并且可以使反应器系统的单位容量增加。较高的催化剂活性还可以使反应器系统能够在反应器系统中的活性金属(如铂、镓或两者)较少的情况(例如，较少的催化剂本体存料或催化剂中的活性金属较少)下操作。
如本文所使用的，术语“流化反应器系统”是指一种反应器系统，其中在所述系统的不同部分中一种或多种反应物以流化方式(如鼓泡方式、弹状流方式、湍流方式、快速流化方式、气动输送方式或其组合)与催化剂接触。例如，在流化反应器系统中，可以在操作温度下使含有一种或多种反应物的进料物流与循环催化剂接触，以进行连续反应以产生产物物流。
如本文所使用的，“连续反应”可以指通过将反应物、催化剂或其组合进料并且在稳定状态条件下经历某一时间段连续地从反应器或反应区抽出产物而进行的化学反应，其通过在所述时间段开始时反应开始并且在所述时间段结束时反应停止进行定义。因此，本文所描述的反应器系统的操作可以包含反应开始、连续反应和反应停止。
如本文所使用的，“失活的催化剂”可以指由于焦炭的积累和/或催化剂活性位点的损失而具有降低的催化活性的催化剂。
如本文所使用的，“催化活性”或“催化剂活性”可以指催化剂能够催化在反应器系统中进行的反应的程度。
如本文所使用的，“催化剂处理”可以指制备催化剂以重新引入反应器系统的反应器部分中并且可以包含从催化剂中去除积炭、加热催化剂、使催化剂再活化、从催化剂中汽提一种或多种气体、其它处理操作或这些的任意组合。
如本文所使用的，“经处理的催化剂”可以指已经在反应器系统的催化剂处理部分中处理过的催化剂。
如本文所使用的，“催化剂再活化”或“使催化剂再活化”可以指处理失活的催化剂以恢复至少一部分催化剂活性从而产生再活化的催化剂。失活的催化剂可以通过但不限于通过恢复催化剂酸度、氧化催化剂、其它再活化工艺或其组合来再活化。在一些实施例中，催化剂再活化可以包含用含氧气体处理催化剂，持续大于2分钟的时间段。
如本文所使用的，“补充燃料”可以指引入反应器系统的催化剂处理部分以促进从催化剂中去除焦炭和/或加热催化剂的任何燃料源。补充燃料不包含沉积在催化剂上的焦炭。
如本文先前所讨论的，根据一个或多个实施例，本文所公开的方法和工艺可以用于在用于处理一种或多种化学物流的反应器系统中进行反应。在非限制性实例中，本文所公开的反应器系统可以用于通过烃进料物流的连续反应从烃进料物流产生轻烯烃。例如，在一些实施例中，可以在流化催化脱氢(FCDh)反应器系统中，在包含铂、镓或两者的催化剂的存在下，通过烃进料物流的脱氢来产生轻烯烃。虽然本文在通过流化催化脱氢进行烃处理以形成轻烯烃的背景下描述了用于在反应器系统中处理化学物流的工艺和方法，但应当理解本文所公开的工艺和方法可以与任何反应器系统一起使用，所述反应器系统包含具有活性金属(如铂、镓、其它活性金属或其组合)的催化剂并且包含通过补充燃料的燃烧来加热催化剂。如此，用于在反应器系统中处理化学物流的当前描述的方法和工艺不应仅限于设计成用于通过流化催化脱氢产生轻烯烃或烷基芳香族物的反应器系统(如图1中的反应器系统)的实施例。
现在将进一步详细讨论用于处理化学物流的反应器系统和方法。被处理的化学物流可以被称为进料物流，所述进料物流通过反应进行处理以形成产物物流。进料物流可以包括组合物，并且根据进料物流组合物，可以利用适合的催化剂将进料物流的内容物转化为可以包含轻烯烃或其它化学产物的产物物流。例如，用于FCDh反应器系统的进料物流可以包括丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烷或乙苯中的至少一种。在FCDh系统中，进料物流可以在脱氢催化剂的存在下通过脱氢转化为轻烯烃或其它产物。
在一些实施例中，用于在FCDh反应器系统中进行脱氢的催化剂可以包含包括铂、镓或两者的催化剂。在一些实施例中，催化剂可以进一步包含来自IUPAC周期表第9和10族的一种或多种其它贵金属。例如，在一些实施例中，催化剂可以包含一种或多种选自钯(Pd)、铼(Rh)、铱(Ir)或这些的组合的贵金属。在一些实施例中，催化剂还可以包含一种或多种选自铟(In)、锗(Ge)或这些的组合的金属。催化剂还可以包含促进剂金属，如碱金属(alkali metal/alkaline metal)。在一些实施例中，促进剂金属可以是钾。催化剂的金属可以负载在载体上。载体可以包含一种或多种无机块体金属氧化物，如二氧化硅、氧化铝、含氧化铝的二氧化硅、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、其它金属氧化物或金属氧化物的组合。在一些实施例中，载体可以包含微孔材料，如ZSM-5沸石。催化金属如铂、镓、钾和/或其它催化活性金属可以负载在载体的表面上或掺入载体中。在一些实施例中，催化剂可以包含负载在含氧化铝的二氧化硅载体上的铂、镓和任选的钾。
现在参考图1，示意性地描绘了示例反应器系统102。反应器系统102通常包含反应器部分200和催化剂处理部分300。如本文在图1的上下文中所使用的，反应器部分200是指反应器系统102的发生主要的工艺反应的部分。例如，反应器系统102可以是FCDh系统，在所述FCDh系统中，进料物流在反应器系统102的反应器部分200中在脱氢催化剂的存在下被脱氢。反应器部分200包括反应器202，所述反应器可以包含下游反应器区段230、上游反应器区段250和催化剂分离区段210，所述催化剂分离区段用于将催化剂与在反应器202中形成的化学产物分离。
同样，如本文所使用的，图1的系统的催化剂处理部分300通常是指反应器系统102中的以某种方式处理催化剂(如去除积炭、加热催化剂、使催化剂再活化、其它处理操作或这些的组合)的部分。在一些实施例中，催化剂处理部分300可以包含燃烧器350、提升管330、催化剂分离区段310和氧处理区370。催化剂处理部分300的燃烧器350可以包含一个或多个下部燃烧器入口端口352并且可以与提升管330流体连通。燃烧器350可以通过竖管426与催化剂分离区段210流体连通，所述竖管可以将失活的催化剂从反应器部分200供应到催化剂处理部分300以进行催化剂处理(例如，焦炭去除、加热、再活化等)。氧处理区370可以与上游反应器区段250流体连通(例如，通过竖管424和输送提升管430)，其可以将经处理的催化剂从催化剂处理部分300供应回反应器部分200。燃烧器350可以包含下部燃烧器入口端口352，在所述下部燃烧器入口端口处，空气入口428与燃烧器350连接。空气入口428可以向燃烧器350供应空气或其它反应性气体，如含氧气体。空气和/或其它反应性气体可以被引入燃烧器350以辅助补充燃料的燃烧。燃烧器350还可以包含补充燃料入口354。补充燃料入口354可以将补充燃料物流356供应到燃烧器350。补充燃料物流356可以包含补充燃料。氧处理区370可以包含含氧气体入口372，所述含氧气体入口可以将含氧气体供应到氧处理区370以对催化剂进行氧处理。
参考图1，将描述反应器系统102进行连续反应的一般操作。在反应器系统102的反应器部分200的操作期间，进料物流可以进入输送提升管430，并且产物物流可以通过管道420离开反应器系统102。根据一个或多个实施例，反应器系统102可以通过将化学进料(例如，在进料物流中)和流化催化剂进料到上游反应器区段250中操作。化学进料可以在上游反应器区段250中与催化剂接触，并且各自可以向上流入并通过下游反应器区段230以产生化学产物。化学产物和催化剂可被传递离开下游反应器区段230到达催化剂分离区段210中的分离装置220。可以在分离装置220中将催化剂与化学产物分离。然后可以将化学产物输送出催化剂分离区段210。例如，分离的蒸气可以通过催化剂分离区段210的气体出口端口216处的管道420从反应器系统102去除。根据一个或多个实施例，分离装置220可以是旋流分离系统，所述旋流分离系统可以包含两个或更多个旋流分离级。
根据一些实施例，在分离装置220中与蒸气分离之后，催化剂通常可以通过汽提塔224移动到反应器催化剂出口端口222，催化剂可以在所述催化剂出口端口处通过竖管426传输到反应器部分200之外并且进入催化剂处理部分300。任选地，催化剂还可以通过竖管422直接往回传输到上游反应器区段250中。在一些实施例中，来自汽提塔224的再循环催化剂可以与来自催化剂处理部分300的经处理的催化剂在输送提升管430中预混合。
分离的催化剂可以从催化剂分离区段210传递到催化剂处理部分300的燃烧器350。可以在催化剂处理部分300中处理催化剂以去除积炭、加热催化剂、使催化剂再活化、进行其它催化剂处理或这些的任何组合。如先前所讨论的，在催化剂处理部分300中处理催化剂可以包含从催化剂去除积炭、通过燃烧燃料源的燃烧来升高催化剂的温度、使催化剂再活化、从催化剂中汽提一种或多种成分、其它处理操作或这些的组合。在一些实施例中，在处理部分300中处理催化剂可以包含在燃烧器350中在催化剂的存在下燃烧燃烧燃料源以去除积炭和/或加热催化剂以产生经过加热的催化剂。经过加热的催化剂可以在催化剂分离部分310中与燃烧气体分离。在一些实施例中，然后可以通过对经过加热的催化剂进行氧处理来使经过加热的催化剂再活化。氧处理可以包含将催化剂暴露于含氧气体，持续足以使催化剂再活化的时间段。
在一些实施例中，燃烧燃料源可以包含沉积在反应器系统102的反应器部分200中的催化剂上的焦炭或其它污染物。在一些反应系统中，催化剂可以在反应器部分200中的反应之后焦化，并且可以通过燃烧器350中的燃烧反应将焦炭从催化剂中去除。例如，氧化剂(如空气)可以通过空气入口428进料到燃烧器350中。
然而，如先前所讨论的，在一些反应系统中，沉积在催化剂上的焦炭和其它污染物可能不足以将催化剂加热到足以在反应器部分200中进行吸热反应的温度。因此，燃烧燃料源可以进一步包含补充燃料。补充燃料可以是补充燃料物流356的一部分，所述补充燃料物流可以通过补充燃料入口354被引入燃烧器350。例如，补充燃料物流356可以通过补充燃料入口354注入燃烧器350中，并且补充燃料被燃烧以将催化剂加热到足以在反应器部分200中进行吸热反应的温度并且提供整个反应器系统102中的其它热量需求。在一些实施例中，在催化剂上不会形成焦炭，使得用于提升催化剂温度的所有热量由补充燃料提供。在一些实施例中，反应性气体，如含氧气体(例如，空气)或其它氧化剂，例如可以通过下部燃烧器入口端口352引入燃烧器350并且可以与补充燃料物流356的补充燃料反应以促进补充燃料的燃烧以加热催化剂从而产生经过加热的催化剂。如本文所使用的，术语“经过加热的催化剂”是指通过补充燃料物流356的燃烧而加热后的催化剂，所述催化剂的温度高于从催化剂分离区段210传递到反应器系统102的催化剂处理部分300的催化剂的温度。
参考图1，经处理的催化剂可以从燃烧器350中传递出去，并且通过提升管330到达提升管终端分离器378，其中来自提升管330的气体和固体组分可以被至少部分地分离。蒸气和剩余固体可以被输送到催化剂分离区段310中的二级分离装置320，在所述二级分离装置中，剩余经处理的催化剂与来自催化剂处理的气体(例如，通过燃烧积炭和补充燃料发出的气体)分离。在一些实施例中，二级分离装置320可以包含一个或多个旋流分离单元，所述旋流分离单元可以以串联或多个旋流对的形式布置。可以通过燃烧气体出口432将在催化剂的处理期间来自燃烧焦炭和/或补充燃料的燃烧气体或在催化剂处理期间引入到催化剂的其它气体从催化剂处理部分300去除。
如先前所讨论的，在反应器系统102的催化剂处理部分300中处理催化剂可以包含使催化剂再活化。在催化剂的存在下燃烧补充燃料以加热催化剂可以进一步使催化剂失活。因此，在一些实施例中，可以通过氧处理调节催化剂来使催化剂再活化。可以在补充燃料燃烧以加热催化剂之后进行氧处理以使催化剂再活化。氧处理可以包含用含氧气体处理经过加热的催化剂，持续至少两分钟的时间段，这可以使催化剂再活化以产生再活化的催化剂。基于含氧气体的总摩尔流速，含氧气体可以包含5摩尔％到100摩尔％的氧含量。在一些实施例中，可以通过氧处理调节催化剂来使催化剂再活化。催化剂的氧处理可以包含将催化剂维持在至少660℃的温度下，同时将催化剂暴露于含氧气体流，持续大于两分钟并且足以产生再活化的催化剂的时间段，所述再活化的催化剂的催化活性大于在通过补充燃料燃烧而被加热之后的经过加热的催化剂的催化活性。
参考图1，可以在氧处理区370中用含氧气体处理经过加热的催化剂。在一些实施例中，氧处理区370可以在催化剂处理部分300的催化剂分离部分310的下游，使得经过加热的催化剂在氧处理期间暴露于含氧气体之前与燃烧气体分离。在一些实施例中，氧处理区370可以包含流体固体接触装置。流体固体接触装置可以包含挡板或栅格结构，以促进经过加热的催化剂与含氧气体的接触。流体固体接触装置的实例在美国专利第9,827,543号和美国专利第9,815,040号中进一步详细描述，这两个专利均通过引用以其整体并入本文。
在一些实施例中，在反应器系统102的催化剂处理部分300中处理催化剂可以进一步包含汽提捕集在催化剂颗粒内或之间的分子氧和在至少660℃的温度下可解吸的物理吸附的氧的含氧的再活化的催化剂。汽提步骤可以包含将含氧的再活化的催化剂维持在至少660℃的温度下，并且将含氧的再活化的催化剂暴露于基本上不含分子氧和可燃燃料的汽提气体中一段时间以去除来自颗粒之间的分子氧和在至少660℃的温度下可解吸的物理吸附的氧。这些催化剂再活化工艺的进一步描述在美国专利第9,834,496号中公开，所述美国专利通过引用以其整体并入本公开中。
在催化剂处理之后，经处理的催化剂可以通过竖管424从催化剂处理部分300传递回反应器部分200。例如，在一些实施例中，可以通过竖管424和输送提升管430将经处理的催化剂从催化剂处理部分300的氧处理区370传递到上游反应器区段250，其中经处理的催化剂可以进一步用于催化反应中。因此，在操作中，催化剂可以在反应器部分200与催化剂处理部分300之间循环。一般来说，包含进料物流和产物物流的经处理的化学物流可以为气态，并且催化剂可以是流化微粒固体。
再次参考图1，根据一个或多个实施例，在催化剂处理部分300中处理催化剂可以包含：将催化剂从反应器系统102的反应器部分200传递到催化剂处理部分300的燃烧器350；在燃烧器350中燃烧补充燃料以加热催化剂；在氧处理区370中使经过加热的催化剂经受氧处理以产生再活化的催化剂；以及将再活化的催化剂从催化剂处理部分300传递到反应器部分200。催化剂处理部分300中的补充燃料和/或积炭的燃烧可以去除沉积在催化剂上的积炭或其它污染物，将催化剂的温度增加到反应器部分200的操作温度范围，或两者。例如，在一些实施例中，补充燃料在燃烧器350中的燃烧可以增加催化剂的温度以产生经过加热的催化剂。在一些实施例中，在反应期间可能不会在催化剂上形成积炭，并且补充燃料可以在燃烧器中提供所有热量，以提升催化剂的温度从而产生经过加热的催化剂。
在一些实施例中，补充燃料可以包含氢气和其它可燃燃料。补充燃料中的氢气与其它可燃燃料的摩尔比可以为至少1:1。例如，在一些实施例中，补充燃料中的氢气与其它可燃燃料的摩尔比可以大于或等于7:3、大于或等于4:1或甚至大于或等于9:1。在一些实施例中，补充燃料中的氢气与其它可燃燃料的摩尔比可以是1:1到999:1、1:1到99:1、1:1到49:1、1:1到19:1、1:1到9:1、7:3到999:1、7:3到99:1、7:3到49:1、7:3到19:1、7:3到9:1、4:1到999:1、4:1到99:1、4:1到49:1、4:1到19:1或4:1到9:1。
在一些实施例中，基于补充燃料中的可燃成分的总摩尔，补充燃料可以包含大于或等于70mol％的氢气，如大于或等于75mol％、大于或等于80mol％、大于或等于85mol％或大于或等于90mol％的氢气。可燃成分可以包含氢气、烃和其它可燃燃料或在燃烧器350的操作范围内的温度下经受燃烧的任何其它成分，但不包含如惰性气体(例如，氮气、氩气等)等成分和在燃烧器350的操作范围内的温度下不燃烧的其它成分。例如，在一些实施例中，基于补充燃料中的可燃成分的总摩尔，补充燃料可以包含70mol％到100mol％、70mol％到99mol％、70mol％到95mol％、70mol％到90mol％、70mol％到85mol％、75mol％到100mol％、75mol％到99mol％、75mol％到95mol％、75mol％到90mol％、75mol％到85mol％、80mol％到100mol％、80mol％到99mol％、80mol％到95mol％、80mol％到90mol％、85mol％到100mol％、85mol％到99mol％、85mol％到95mol％、90mol％到100mol％的氢气。补充燃料中的氢气的比例还可以表示为重量百分比(wt.％)。例如，在一些实施例中，基于补充燃料中的可燃成分的总质量，补充燃料可以包含大于或等于20wt.％、大于或等于25wt.％或大于或等于30wt.％、大于或等于40wt.％或大于或等于50wt.％的氢气。例如，在一些实施例中，基于补充燃料中的可燃成分的总质量，补充燃料可以包含20wt.％到100wt.％、20wt.％到99wt.％、20wt.％到95wt.％、25wt.％到100wt.％、25wt.％到99wt.％、25wt.％到95wt.％、30wt.％到100wt.％、30wt.％到99wt.％、30wt.％到95wt.％、40wt.％到100wt.％、40wt.％到99wt.％、40wt.％到95wt.％、50wt.％到100wt.％或50wt.％到99wt.％的氢气。
令人惊讶地发现，与用主要由甲烷和其它烃(>50mol％的甲烷和/或其它烃)组成的补充燃料使催化剂再活化相比，用具有相对较高浓度的氢气(例如，氢气与其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1)的补充燃料加热催化剂可以提高反应器系统的转化率。与通过燃烧主要由甲烷和其它烃组成的补充燃料进行加热并结合氧处理的催化剂相比，在补充燃料中掺入相对较高浓度的氢气并结合氧处理以使催化剂再活化可以使再活化的催化剂的催化活性更大。如先前所讨论的，燃烧包含相对较高浓度的氢气的补充燃料以加热催化剂并结合氧处理可以增加反应器系统102中催化剂的寿命。进一步地，与燃烧具有高烃浓度(>50mol％烃)的补充燃料来加热催化剂相比，燃烧具有相对较高浓度的氢气的补充燃料并结合氧处理还可以增加反应器系统102的能力，例如通过增加特定催化剂负载的转化率或减少实现目标转化率所需的催化剂负载。例如，在利用包括铂、镓或两者的催化剂以使丙烷脱氢从而产生丙烯的反应器系统102中，与使用主要是甲烷和其它烃(即，>50mol％烃)的补充燃料操作反应器系统相比，操作利用补充燃料(氢气与其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1)的反应器系统102可以用较少的活性金属(例如，铂、镓或两者)产生相同的转化性能。用较少的活性金属(例如，铂、镓或两者)操作反应器系统可以包含在反应器系统中的催化剂本体存料减少的情况下操作或减少催化剂中的活性金属的量(例如，使用具有较少的应用于催化剂的活性金属的催化剂或使用老化的催化剂)。
在一些实施例中，补充燃料可以包含其它可燃燃料。其它可燃燃料的实例可以包含一种或多种烃。烃可以包含在燃烧时包括能量值的烃或烃的混合物。在一些实施例中，烃可以包含一种或多种在燃烧器350的操作温度(即，650℃到850℃)下为气体的烃，如但不限于烷烃、烯烃、芳香族烃或这些的组合。可以作为补充燃料中的烃而被包含的烷烃的实例可以包含但不限于甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、其它烷烃或这些的组合。可以作为补充燃料的烃而被包含的烯烃的实例可以包含但不限于乙烯、丙烯、1-丁烯、2-丁烯、异丁烯、其它烯烃或这些的组合。可以作为补充燃料中的烃而被包含的芳香族烃的实例可以包含但不限于苯、甲苯、二甲苯、其它芳香族烃或这些的组合。在一些实施例中，烃可以包含轻烃(即，C1-C4)燃料气体。在其它实施例中，烃可以包含基于重烃的燃料油(C5+)。在一些实施例中，补充燃料中的烃可以包含甲烷、乙烷、丙烷、天然气、其它烃燃料或这些的组合中的至少一种。除了烃之外，其它可燃燃料还可以包含在补充燃料中。
在一些实施例中，基于补充燃料中的可燃成分的总摩尔，补充燃料可以包含小于30mol％的烃。例如，在一些实施例中，基于补充燃料中的可燃成分的总摩尔，补充燃料可以包含小于25mol％、小于20mol％、小于15mol％或甚至小于10mol％的烃。一些基于烃的可燃燃料(例如甲烷和天然气)具有较高的热值并且相对廉价。因此，在一些实施例中，烃燃料(例如甲烷和天然气)可以包含在补充燃料中，以减少反应器系统102的操作成本。在其它实施例中，补充燃料中的烃可以由作为补充燃料物流356的至少一部分传递到燃烧器350的废气物流提供，所述废气物流源自烃处理系统。在一些实施例中，补充燃料物流356可以包含其它不可燃成分。在一些实施例中，基于补充燃料的总摩尔，补充燃料物流356可以包含至少10mol％的可燃成分。例如，基于补充燃料物流356的总摩尔，补充燃料物流356可以包含至少20mol％、至少30mol％、至少40mol％、至少50mol％、至少70mol％、至少80mol％或至少90mol％的可燃成分。
如先前所讨论的，补充燃料物流356可以包含包括氢气和其它可燃燃料的补充燃料。在一些实施例中，补充燃料物流356可以包含纯氢气物流，所述纯氢气物流包括大于或等于99mol％的氢气(基于纯氢气物流的总摩尔流速)。在一些实施例中，补充燃料物流356可以包含来自烃处理设备的废气物流。基于废气物流中的可燃成分的总摩尔流速，来自烃处理设备/系统的废气物流可以包含大于或等于50mol％、大于或等于60mol％、大于或等于70mol％、大于或等于80mol％或大于或等于90mol％的氢气。例如，在一些实施例中，补充燃料物流356可以包含来自FCDh反应器系统(如但不限于丙烷脱氢工艺)的废气物流和/或来自轻烃裂化工艺的废气物流。应当理解，来自其它烃处理系统的含氢废气物流可以包含在补充燃料物流356中。在一些实施例中，补充燃料物流356可以由或基本上由来自烃处理系统的废气物流组成。在其它实施例中，补充燃料物流356可以包含与一种或多种其它可燃燃料物流组合的废气物流，所述一种或多种其它可燃燃料物流包括氢气、烃组分、其它可燃燃料或这些的组合。在一些实施例中，补充燃料物流356可以包含一种或多种惰性成分作为稀释剂。惰性成分的实例可以包含惰性气体(例如氮气和氩气)或在燃烧器350的操作范围内的温度下不燃烧的其它成分。
现在参考图2，其是用于使烃脱氢以产生烯烃和其它产物(例如，来自乙苯的苯乙烯)的流化催化脱氢(FCDh)工艺502的工艺流程图。在图2的FCDh工艺502中，从FCDh工艺502回收的废气物流544可以被传递到燃烧器350以提供补充燃料物流356的至少一部分。图2中所描绘的FCDh工艺502可以包含图1中所描绘的反应器系统102。FCDh工艺502可以包含反应器202、催化剂分离区段210、燃烧器350和氧处理区370。FCDh工艺502可以进一步包含在催化剂分离区段210下游的产物分离器540。
在图2的FCDh工艺502的连续操作期间，可以将化学进料512和来自氧处理区370的再活化的催化剂532引入反应器202。化学进料512中的反应物与再活化的催化剂532的接触可以将化学进料512中的反应物的一部分转化为一种或多种反应产物(例如，乙烯、丙烯、苯乙烯等)和副产物。可将反应器流出物514从反应器202传递到催化剂分离区段210。反应器流出物514可以至少包含催化剂、反应产物和来自化学进料的未反应的反应物，但是还可以包含副产物、中间化合物、杂质、载气或其它成分。催化剂分离区段210可以将反应器流出物514分离成气态流出物物流522和失活的催化剂物流524。气态流出物物流522可以至少包含反应产物和未反应的反应气体。失活的催化剂物流524可以被传递到燃烧器350以进行催化剂处理中的至少一部分催化剂处理。在燃烧器350中，可以在失活的催化剂物流524的存在下燃烧补充燃料物流356，以从催化剂中去除焦炭、加热催化剂或两者。燃烧之后，经过加热的催化剂531可以与燃烧气体534分离并且传递到氧处理区370。在氧处理区370中，可以用含氧气体533处理经过加热的催化剂531，以产生再活化的催化剂532。然后可以将再活化的催化剂532传递回反应器202。
仍参考图2，气态流出物物流522可以被传递到产物分离器540，所述产物分离器可以用于将气态流出物物流522分离成至少一种产物物流542和至少一种废气物流544。基于废气物流544中的可燃成分的总摩尔流速，从FCDh工艺502的产物分离器540中回收的废气物流544可以包含至少40mol％、至少70mol％、至少75mol％、至少80mol％、至少85mol％或甚至至少90mol％的氢气。废气物流544还可以包含甲烷、氮气和/或其它成分。从产物分离器540回收的废气物流544的至少一部分可以作为补充燃料物流356的至少一部分被传递到燃烧器350。在一些实施例中，废气物流544可以与二级燃料物流358组合以产生补充燃料物流356。在一些实施例中，二级燃料物流358可以是氢气浓度比废气物流544的氢气浓度更高的含氢物流。在其它实施例中，二级燃料物流358可以是包括一种或多种烃(例如甲烷或天然气)的烃物流。在一些实施例中，可以增加或减少二级燃料物流358的流速、废气物流544的流速或两者，以改变补充燃料物流356的组成(例如，氢气浓度)。
现在参考图3，工艺流程图描绘了以下实施例，其中来自轻烃裂化工艺602的裂化器废气物流628可以作为补充燃料物流356的至少一部分被传递到反应器系统102的燃烧器350。如先前所讨论的，反应器系统102可以包含反应器202、催化剂分离区段210、燃烧器350和氧处理区370。在连续操作中，可以将化学进料104和来自氧处理区370的再活化的催化剂112引入反应器202，在所述反应器中，再活化的催化剂112与化学进料104中的反应物的接触可以将化学进料512中的反应物的至少一部分转化为一种或多种反应产物。可以将反应器流出物106从反应器202传递到催化剂分离区段210，在所述催化剂分离区段中，反应器流出物106可以被分离成气态流出物物流108和失活的催化剂物流110。可以包含至少一种反应产物的气态流出物物流108可以被传递到一个或多个下游操作以进行进一步处理。失活的催化剂物流110可以被传递到燃烧器350以进行催化剂处理中的至少一部分催化剂处理。在燃烧器350中，可以在失活的催化剂物流110的存在下燃烧补充燃料物流356，以从催化剂中去除焦炭、加热催化剂或两者。燃烧之后，经过加热的催化剂111可以与燃烧气体534分离并且从燃烧器350传递到氧处理区370。在氧处理区370中，可以用含氧气体533处理经过加热的催化剂111，以产生再活化的催化剂112。然后可以将再活化的催化剂112传递回反应器202。
仍参考图3，轻烃裂化工艺602可以包含轻烃裂化单元610和轻烃处理部分620。在轻烃裂化工艺602的连续操作期间，可以将一个或多个轻烃物流612引入轻烃裂化单元610，在所述轻烃裂化单元中，烃物流612中的轻烃被裂化以产生包含一种或多种反应产物的裂化器流出物614。例如，在一些实施例中，轻烃裂化单元610可以是蒸汽裂化器，并且轻烃物流612可以包含乙烷和丙烷，它们可以在蒸汽裂化器中被蒸汽裂化以至少产生乙烯。裂化器流出物614可以被传递到轻烃裂化工艺602的轻烃处理部分620。轻烃处理部分620可以包含多个单元操作，如但不限于蒸气压缩、分离、硫和二氧化碳去除、干燥或其它操作。轻烃处理部分620可以最终将裂化器流出物614分离成多股气态物流，如但不限于乙烯产物物流622、丙烯产物物流624、丙烷物流626、裂化器废气物流628和其它物流。
基于裂化器废气物流628中的可燃成分的总摩尔流速，裂化器废气物流628可以包含至少40mol％的氢气，如50mol％到90mol％的氢气。裂化器废气物流628的至少一部分可以被传递到反应器系统102的燃烧器350，以作为补充燃料物流356的一部分被包含。例如，在一些实施例中，裂化器废气物流628可以作为补充燃料物流356直接传递到反应器系统102的燃烧器350，使得补充燃料物流356由或基本上由裂化器废气物流628组成。在一些实施例中，裂化器废气物流628可以与二级燃料物流358组合以产生补充燃料物流356。二级燃料物流358可以是氢气浓度比裂化器废气物流628的氢气浓度更高的含氢物流。可替代地，在一些实施例中，二级燃料物流358可以是包括一种或多种烃的烃物流。在一些实施例中，可以增加或减少二级燃料物流358的流速、裂化器废气物流628的流速或两者，以改变补充燃料物流356的组成(例如，氢气浓度)。
在一些实施例中，裂化器废气物流628的至少一部分可以与来自反应器系统102的废气物流(例如，来自图2的FCDh工艺502的废气物流544)组合以产生补充燃料物流356。补充燃料物流356可以包含来自其它烃工艺的废气物流。在一些实施例中，补充燃料物流356可以包含来自FCDh工艺的废气、来自轻烃裂化单元的裂化器废气、纯氢气物流或这些组合中的至少一种。
在一些实施例中，反应器系统102和轻烃裂化工艺602可以整合在一起，以将产物物流的分离组合成单个系统。例如，在一些实施例中，来自反应器系统102的气态流出物物流108可以与来自轻烃裂化单元610的裂化器流出物614组合，并且组合的流出物物流(未示出)可以被传递到轻烃处理部分620。因此，在这些实施例中，轻烃处理部分620可以将组合的流出物物流(例如，气态流出物物流108和裂化器流出物614两者的组合)分离成多股气态物流，如但不限于乙烯产物物流622、丙烯产物物流624、丙烷物流626、裂化器废气物流628和其它物流。具体地，在一些实施例中，来自FCDh工艺502(图2)的气态流出物物流522(图2)可以与轻烃裂化工艺的裂化器流出物614组合并且可以与其一起被传递到轻烃裂化工艺602的轻烃处理部分620，使得裂化器废气物流628包含从轻烃裂化单元610和FCDh工艺502(图2)产生的废气。
参考图4，在一些实施例中，裂化器废气物流628可以被传递到分离器装置630，如涡轮膨胀机或其它分离装置。分离器装置630可以用于将裂化器废气物流628分离成富氢物流362和富烃物流360。富氢物流362可以从分离器装置630传递到反应器系统102的燃烧器350作为补充燃料物流356的至少一部分。补充燃料物流356可以包含来自分离器装置630的富氢物流362。来自其它烃处理系统的废气物流(例如，来自图2的FCDh工艺502的废气物流544)还可以被传递到分离器装置630以产生富氢物流和富烃物流，并且然后至少将富氢物流传递到反应器系统102的燃烧器350作为补充燃料物流356的一部分。在一些实施例中，分离器装置630的操作参数可以被修改以增加或减少富氢物流362中的氢气浓度，从而增加或减少补充燃料物流356中的氢气浓度。
在一些实施例中，可以通过从补充燃料物流356中去除烃组分的至少一部分来改变补充燃料物流356的氢气浓度。另外，在一些实施例中，可以通过将补充燃料物流356与补充含氢物流、补充烃物流或两者组合来改变补充燃料物流356的氢气浓度。
在反应器系统102的操作的连续反应阶段期间，反应器系统102的催化剂处理部分300，特别是燃烧器350，可以维持在足以使催化剂再活化的操作温度范围内的温度下。例如，在一些实施例中，燃烧器350可以维持在大于反应器系统102的反应器部分200的操作温度的温度下。在一些实施例中，燃烧器350的操作温度范围可以大于或等于650℃、大于或等于660℃、甚至大于或等于680℃或甚至大于或等于700℃。在一些实施例中，燃烧器350的操作温度范围可以是650℃到850℃、660℃到780℃或700℃到750℃。如本文先前所讨论的，维持燃烧器350中的操作温度可以包含在燃烧器350中燃烧补充燃料。如本文先前所讨论的，维持燃烧器350中的操作温度可以包含在燃烧器350中燃烧补充燃料。
再次参考图1，可以将补充燃料物流356引入催化剂处理部分300的燃烧器350中。在一些实施例中，补充燃料物流356可以通过布置在燃烧器350内的一个或多个分配器(未示出)被引入燃烧器350。在将补充燃料物流356引入燃烧器350之前，可以使补充燃料物流356通过压缩机(未示出)以增加补充燃料物流356的压力。补充燃料物流356可以在5磅/平方英寸表压(psig)到200psig(34.47千帕(kPa)到1378.95kPa，其中1psig＝6.89kPa)的压力下供应到燃烧器350。在一些实施例中，可以包含控制阀(未示出)以控制补充燃料物流356的流速并且调节补充燃料气体的压力以等于反应器系统102和/或燃烧器350的操作压力。在一些实施例中，可以如通过使补充燃料物流356通过任选的热交换器(未示出)来预加热补充燃料物流356。
根据一个或多个实施例，反应器系统102中的反应可以是用于使链烷烃和烷基芳香族物脱氢为烯烃或其它产物的FCDh反应系统。根据此类实施例，进料物流可以包括链烷烃化合物，如乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷中的一种或多种。在一些实施例中，进料物流可以包含至少50wt.％的乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷或其组合。在一个或多个实施例中，脱氢反应可以利用包含铂、镓或其组合的催化剂。铂和/或镓可以由氧化铝或二氧化硅氧化铝载体承载，并且可以任选地包括钾。此类铂催化剂公开于美国专利第8,669,406号，所述美国专利通过引用以其整体并入本文。在一些实施例中，反应器系统102可以是用于将烷基芳香族化合物脱氢为其它产物的FCDh反应系统。例如，进料物流可以包含乙苯并且反应器系统102可以是用于将乙苯脱氢为苯乙烯的FCDh反应器系统。
在一些实施例中，反应器系统102中的反应可以是裂化反应，使得反应器系统102是裂化反应器系统。根据此类实施例，进料物流可以包括石脑油、正丁烷或异丁烷中的一种或多种。例如，如果反应是裂化反应，则进料物流可以包含至少50wt.％的石脑油、正丁烷、异丁烷或其组合。在一个或多个实施例中，裂化反应可以利用一种或多种沸石作为催化剂。在一些实施例中，在裂化反应中利用的一种或多种沸石可以包括ZSM-5沸石。然而，应当理解的是，其它合适的催化剂可以用于进行所述裂化反应。在一些实施例中，裂化催化剂可以包含铂。例如，裂化催化剂可以包含0.001wt.％到0.05wt.％的铂。可以将铂以可溶性铂化合物(如但不限于硝酸铂、硝酸四胺铂、乙酰丙酮铂或这些的组合)的形式进行喷涂，并且在升高的温度如约700℃下煅烧。
实例
将通过以下实例进一步阐明本公开的实施例。
实例1：丙烷脱氢–补充燃料的氢气含量对丙烷转化率的影响
在实例1中，评估了补充燃料物流中的氢气的浓度对丙烷脱氢反应器系统中的丙烷转化率的影响。使用获自格雷斯·戴维逊(Grace Davidson)的戴维逊循环提升管(DCR)试验设备单元进行丙烷脱氢反应，所述装置具有上流式流化反应器部分和催化剂处理部分。修改了DCR单元以允许在催化剂处理部分中进行原位燃料燃烧。用4100克新鲜负载的催化剂进行每个反应运行1A-1D，所述催化剂包括负载在含氧化铝的二氧化硅载体上的铂和镓。将DCR单元的提升管反应器的入口温度控制在630℃并且将压力设定为13psig。丙烷进料是HD-5丙烷进料，其具有约30份/百万(ppm)的硫(按摩尔计)。将丙烷进料在氮气中稀释，以使进料物流中丙烷的分压为约4.3psig。
催化剂处理的温度维持在700℃到750℃的范围内。催化剂处理包含燃烧补充燃料物流，然后进行氧处理，在所述氧处理中，将催化剂暴露于含氧气体(空气)，持续某一氧浸透时间。使用包括用于催化剂再活化的各种氢气和甲烷的组成的补充燃料物流进行丙烷脱氢反应。对于反应运行1A-1D，补充燃料物流中的氢气的摩尔浓度从0mol％氢气增加到100mol％氢气，以改变补充燃料中的氢气与甲烷的摩尔比。在约1,600BTU/小时(1.6KBTU/hr)的恒定热量输入下进行丙烷脱氢反应。对于每个反应运行，DCR单元在氧浸透时间为1分钟的情况下操作第一时间段并且在氧浸透时间为7分钟的情况下操作第二时间段。
以下表1提供了丙烷进料速率(标准升/小时(SLPH))、催化剂循环速率(kg/hr)、补充燃料物流组成(mol％和wt.％)、补充燃料物流进料速率(SLPH)、热量输入(MBTU/hr)、催化剂处理部分中催化剂与甲烷的比率(lbs/lbs)、丙烷重量时空速度(WHSV hr-1)和氧处理的氧浸透时间。确定了在氧浸透时间为1分钟和7分钟的情况下操作反应器系统的丙烷转化率，并且所述丙烷转化率在表1中进行了报告。
表1：实例1工艺参数和丙烷转换率
Figure BDA0002813507740000241
如表1所示，对于实例1，当补充燃料中的氢气的摩尔浓度从0mol％增加到100mol％时(补充燃料中的氢气与甲烷的摩尔比从0:100增加到100:0)，观察到在氧浸透时间为1分钟的情况下的丙烷转化率从42.1％增加到48.2％。因此，将补充燃料物流中的氢气的浓度从0mol％增加到100mol％将丙烷转化率提高了14.5％。
实例2：丙烷脱氢–高热量输入下补充燃料的氢气含量对丙烷转化率的影响
在实例2中，评估了在高热量输入下操作的丙烷脱氢反应器系统中补充燃料物流的氢气浓度对丙烷转化率的影响。在实例1中所描述的DCR单元中进行丙烷脱氢反应。在实例2中，在高热量输入下进行催化剂处理，所述高热量输入是通过将补充燃料物流流速增加到实例1的补充燃料物流流速的3倍来完成的。在约4,700BTU/小时(4.7KBTU/hr)的恒定热量输入下进行丙烷脱氢反应。所有其它操作参数是相同的。使用包括氢气和甲烷的补充燃料物流进行丙烷脱氢反应。对于反应运行2A-2D，补充燃料物流中的氢气的摩尔浓度从0mol％氢气增加到100mol％氢气。以下表2提供了丙烷进料速率、催化剂循环速率、补充燃料物流组成、补充燃料物流进料速率、热量输入、反应系统的催化剂处理部分中催化剂与甲烷的比率、丙烷WHSV和氧处理的氧浸透时间。确定了在氧浸透时间为1分钟和7分钟的情况下操作反应器系统的丙烷转化率，并且所述丙烷转化率在表1中进行了报告。
表2：实例2工艺参数和丙烷转换率
Figure BDA0002813507740000251
如表2所示，对于实例2，当补充燃料中的氢气的摩尔浓度从0mol％增加到100mol％时(补充燃料中的氢气与甲烷的摩尔比从0:100增加到100:0)，观察到在氧浸透时间为1分钟的情况下的丙烷转化率从34.9％增加到48.5％。在高热量输入下(实例1的补充燃料物流进料速率的3倍)，通过将补充燃料中的氢气浓度从0mol％增加到100mol％，实例2中的丙烷转化率增加39％。因此，在高热量输入下，与实例1(热量输入较少)相比，补充燃料物流中的氢气浓度的增加使丙烷转化率的增加得更大。
参考图5，针对实例1(902)和实例2(904)的丙烷脱氢反应(其中氧浸透时间为1分钟)提供了丙烷转化率(％)(y轴)随补充燃料物流中的氢气浓度(wt.％)(x轴)的变化。如图5中以图形方式所示，考虑到输入到反应器系统的总热量保持恒定，丙烷转化率随着补充燃料中的氢气浓度的增加而增加。对于补充燃料中的氢气浓度从0mol％到约50mol％，丙烷转化率的增加更为渐进。当补充燃料中的氢气浓度增加到大于50mol％时，丙烷转化率随着补充燃料中的氢气浓度增加而增加的速率变得更快。这表明，与具有摩尔比小于1:1的氢气与其它可燃燃料的补充燃料相比，含有至少50mol％氢气(即，氢气与其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1)的补充燃料显著提高了丙烷转化率。当氧浸透时间增加到7分钟时，观察到丙烷转化率随补充燃料物流中的氢气浓度而变化的趋势相同。
图5还以图形方式示出，与在较低热量输入下操作的丙烷转化率(实例1(902))相比，在高热量输入(实例2(904))下操作时补充燃料物流中的氢气浓度对丙烷转化率的影响更大。
实例3：实验室规模的丙烷脱氢–补充燃料物流中的氢气浓度的影响
在实例3中，使用实验室规模的丙烷脱氢反应器系统进一步研究了改变补充燃料物流中的氢气浓度对丙烷转化率的影响。使用实验室规模的固定床测试设备进行实例3的丙烷脱氢反应，所述设备含有与先前实例1中所描述的相同催化剂。固定床反应器系统在丙烷脱氢操作与催化剂再活化之间交替，以模拟反应/催化剂处理循环。
在丙烷脱氢反应操作期间，将包括90mol％丙烷和10mol％氮气的进料物流以10hr-1的丙烷重量时空速度(WHSV)引入固定床反应器。在环境压力下在625℃的反应温度下进行丙烷脱氢反应。进行实例3中的脱氢/催化剂处理循环的每个反应步骤，持续60秒的总运转时间，其中在将进料物流引入固定床反应器后30秒测量丙烷转化率和选择性数据。
在脱氢/催化剂处理循环的每个催化剂处理步骤期间，将包括补充燃料物流和空气的燃烧气体混合物引入730℃下的固定床反应器，持续3分钟。燃烧气体混合物包含2.5mol％的补充燃料物流并且燃烧气体混合物的其余部分是空气。补充燃料物流的组成由甲烷(CH4)和氢气(H2)组成，并且在反应运行3A-3F中，补充燃料物流中的氢气浓度从0wt.％增加到100wt.％。燃烧3分钟后，利用高纯度空气(>99％空气)使固定床中的催化剂在730℃下经受空气处理，持续15分钟。
表3提供了在反应运行3A-3F中进行的丙烷脱氢反应的丙烷转化率和丙烯选择性。在性能达到稳定状态(在反应器系统中的指定条件下通常为20-25个反应/催化剂处理循环)之后，确定表3中反应运行3A-3F中每个反应运行的丙烷转化率和丙烷选择性。
表3：实例3的丙烷脱氢的丙烷转化率和丙烯选择性
Figure BDA0002813507740000271
如以上表3所示，对于实例3，当补充燃料中的氢气的浓度从0mol％增加到100mol％时(补充燃料中的氢气与甲烷的摩尔比从0:100增加到100:0)，观察到丙烷转化率从48.2％增加到53.1％。因此，对于实例3的实验室规模反应器工艺，将补充燃料物流中的氢气浓度从0mol％增加到100mol％将丙烷转化率提高了10.2％。氢气浓度从0mol％增加到100mol％还将丙烯选择性从96.4mol％增加到96.8mol％。
参考图6，以图形方式描绘了丙烷转化率910(左y轴)和丙烯选择性912(右y轴)随补充燃料物流中的氢气浓度(x轴)的变化。如图6中以图形方式所示，丙烷转化率910和丙烯选择性912两者均随补充燃料物流中的氢气浓度的增加而增加。图6还示出了对于补充燃料中的氢气浓度从0mol％到约70mol％，丙烷转化率910的增加是大体上线性的。然而，与补充燃料中0mol％到约70mol％的氢气浓度下丙烷转化率呈大体上线性增加相比，当补充燃料物流中的氢气浓度增加到约70mol％以上时，丙烷转化率910增加得更快。这表明与具有小于70mol％的氢气的补充燃料物流相比，含有至少70mol％的氢气的补充燃料物流在丙烷转化率方面提供了更大的改进。
出于描述和限定本发明的目的，应注意，本文中利用术语“约”来表示归因于任何定量比较、值、测量值或其它表示形式可能具有的不确定程度。本文中还使用术语来表示在不导致在所关注的主题的基本功能变化的情况下，定量表示可根据规定的参考变化的程度。
应注意，以下权利要求书中的一项或多项利用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意，此术语在权利要求书中引入为开放的过渡短语，其用于引入结构的一系列特性的叙述且应以与更多常用开放的前导术语“包括”相同的方式解释。
通常，本文所述的反应器系统102的任何系统单元的“入口端口”和“出口端口”指代系统单元中的开口、孔、通道、开孔、间隙或其它相似机械特征。例如，入口端口允许材料进入特定系统单元并且出口端口允许材料从特定系统单元离开。通常，出口端口或入口端口将限定反应器系统102的系统单元的管道、导管、管子、软管、材料输送线或相似机械特征附接到的区域，或者系统单元的另一系统单元直接附接到的一部分。虽然入口端口和出口端口在本文中有时可以描述为功能性地操作，但是其可具有类似或相同物理特性，并且其在可操作系统中的相应功能不应被解释为限制其物理结构。
对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变型。因为本领域的技术人员可以进行并入本发明的精神和实质的所公开的实施例的修改组合、子组合和变化，所以本发明应被解释为包含在所附权利要求书和其等效物的范围内的所有事物。

Claims (15)

1.一种用于处理化学物流的方法，所述方法包括：
使进料物流与催化剂在反应器系统的反应器部分中接触，其中：
所述反应器系统包括反应器部分和催化剂处理部分；
所述催化剂包括铂、镓或两者；并且
所述使所述进料物流与所述催化剂接触引起反应，所述反应形成包括至少一种产物的流出物物流；
将所述流出物物流的至少一部分与所述催化剂分离；
将所述催化剂传递到所述反应器系统的所述催化剂处理部分；
在所述反应器系统的所述催化剂处理部分中处理所述催化剂，其中处理所述催化剂包括：
将所述催化剂传递到所述催化剂处理部分的燃烧器；
在所述催化剂的存在下在所述燃烧器中燃烧补充燃料以产生经过加热的催化剂，其中所述补充燃料包括氢气和其它可燃燃料，并且所述补充燃料中的氢气与所述其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1；
用含氧气体处理所述经过加热的催化剂以产生再活化的催化剂；以及
将所述再活化的催化剂从所述催化剂处理部分传递到所述反应器部分。
2.一种用于使烃物流脱氢以产生一种或多种烯烃的方法，所述方法包括：
使烃进料物流与催化剂在反应器系统的反应器部分中接触，其中：
所述反应器系统包括反应器部分和催化剂处理部分；
所述催化剂包括铂、镓或两者；并且
所述使所述进料物流与所述催化剂接触引起反应，所述反应形成包括所述一种或多种烯烃的流出物物流；
将所述流出物物流的至少一部分与所述催化剂分离；
将所述催化剂传递到所述反应器系统的所述催化剂处理部分；
在所述反应器系统的所述催化剂处理部分中处理所述催化剂，其中处理所述催化剂包括：
将所述催化剂传递到所述催化剂处理部分的燃烧器；
将补充燃料引入所述燃烧器，所述补充燃料物流包括氢气和至少一种烃，并且所述补充燃料中的氢气与其它可燃燃料的摩尔比为至少1:1；
在所述催化剂的存在下在所述燃烧器中燃烧所述补充燃料；
使经过加热的催化剂经受氧处理以产生再活化的催化剂；以及
将所述再活化的催化剂从所述催化剂处理部分传递到所述反应器部分。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述补充燃料进一步包括至少一种烃。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述至少一种烃选自甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、1-丁烯、2-丁烯、异丁烯、戊烯、苯、甲苯、二甲苯、天然气或其组合。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述至少一种烃包括甲烷。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述补充燃料中的氢气与其它可燃燃料的摩尔比为1:1到99:1。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中用所述含氧气体处理所述经过加热的催化剂包括将所述经过加热的催化剂暴露于所述含氧气体，持续大于2分钟的时间段。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括将来自烃处理系统的含氢废气物流传递到所述燃烧器，其中引入到所述燃烧器的补充燃料物流的至少一部分包括所述含氢废气物流。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：增加所述含氢废气物流中的氢气的浓度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述补充燃料包括来自轻烃裂化工艺或脱氢工艺的废气物流的至少一部分。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括：
将所述流出物物流分离为产物物流和废气物流；以及
将所述废气物流的至少一部分传递到所述催化剂处理部分，其中所述补充燃料包含所述废气物流的所述至少一部分。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述催化剂包括负载在载体上的铂、镓和任选的碱金属或碱土金属，所述载体选自二氧化硅、氧化铝、含氧化铝的二氧化硅、TiO2、ZrO2或其组合中的一种或多种。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应器系统包括脱氢反应系统。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述流出物物流中的所述产物包括选自乙烯、丙烯或丁烯的至少一种轻烯烃。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括在650℃到850℃的温度下操作所述燃烧器。
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